考慮浮升力影響的矩形通道內航空煤油流動換熱數值研究*

王壯壯,張登成,周章文,粟 銀

(1 空軍工程大學航空工程學院, 西安 710038； 2 空軍工程大學基礎部, 西安 710051)

0 引言

航空煤油憑借體積熱值和熱沉高、易于攜帶等優勢廣泛用于超燃沖壓發動機再生冷卻系統中[1]。其工作壓力一般大于臨界壓力(約2.2 MPa)[2],熱物性在擬臨界溫度附近變化劇烈,且在不同飛行狀態下,過載也會發生變化,從而改變冷卻通道內浮升力效應,引起二次流動的變化。一方面二次流與主流疊加使流體相互摻雜,提高了換熱效率；另一方面二次流會引起壓力損失,降低流動效率[3]。

目前,浮升力對碳氫燃料流動換熱的影響研究大多集中于圓管內。王彥紅等[4]數值模擬了水平圓管內RP-3航空煤油的流動與傳熱特性,認為二次流的演變規律能合理的解釋RP-3航空煤油的非均勻傳熱機理。賈洲俠等[5]分析了浮升力及熱物性對碳氫燃料在垂直圓管中對流換熱的影響,在向上流動中發現進口段存在較為明顯的入口效應,換熱出現惡化現象,而在向下流動中未出現。Pizzarelli等[6]對超臨界壓力下低溫甲烷在三維方管中的流動和傳熱過程開展了數值研究,發現甲烷在擬臨界點附近出現了傳熱惡化。超燃沖壓發動機再生冷卻通道多為矩形通道[7],且為單側加熱,對于矩形通道內浮升力對流動換熱的影響還少見報道。

文中數值模擬了不同過載作用下,浮升力對RP-3航空煤油在矩形再生冷卻通道中流動換熱的影響,探究了浮升力對航空煤油流動換熱的影響規律。

研究結果有助于更清楚的認識浮升力的作用機理。

1 計算模型

1.1 計算模型和邊界條件

超燃沖壓發動機燃燒室的4個壁面可認為分布著多個大小和受熱環境均相同的再生冷卻通道[8],因此取單根冷卻通道進行研究。為簡化計算,規定橫向過載沿Y軸負方向,取0,0.5,1,2四組橫向過載,通過改變橫向過載的方向模擬燃燒室不同位置的受力情況。沿Y軸負方向表示燃燒室上表面冷卻通道a的受力狀況；沿Y軸正方向表示燃燒室下表面冷卻通道b的受力狀況；由于燃燒室兩側冷卻通道對稱分布,故沿X軸正方向表示燃燒室兩側冷卻通道c的受力狀況。

圖1 燃燒室截面示意圖

為了增加計算的精確度,適當增大了冷卻通道的尺寸。如圖2所示,δ為肋片厚度,H為通道高度,W為通道寬度,d為外壁厚度,e為內壁厚度,d=2 mm,e=2 mm,H=8 mm,W=8 mm,δ=2 mm。通道加熱段長度l=5 500 mm,加熱段前端的絕熱段長500 mm,坐標軸z=0對應加熱段起點位置。入口邊界條件為質量流量入口,min=50 g/s,進口溫度Tin=300 K；對燃氣側壁面施加恒定熱流,熱流密度qw=1 MW/m2,加熱段邊界為壁面邊界條件,上壁面和兩側壁面均設置為絕熱壁面；出口邊界條件為壓力出口,為了保證管內煤油始終處于超臨界壓力狀態,取pout=3 MPa。RP3航空煤油在溫度超過850 K后會發生明顯的熱裂解反應[9],文中在各種計算工況下出口煤油平均溫度均在700 K以下,故忽略極少量煤油裂解對計算的影響。

圖2 再生冷卻通道模型示意圖

燃燒室壁面采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼,耐溫極限為1 473 K[10]。密度和定壓比熱按常數處理,分別取值為7 900 kg/m3和502 J/(kg·K),熱導率按溫度的線性函數處理[11],單位為W/(m·K),表達式為:

λw=0.015 25T+10.6

(1)

在數值計算中,引入對流換熱系數h表征超臨界壓力下煤油的換熱性能,定義為:

(2)

式中:Tw為加熱壁面內側溫度;Tf為平均油溫,其定義為:

(3)

式中:u為流速;ρ為煤油密度;Cp為定壓比熱;A為通道截面面積。

為了定量地分析二次流的影響,引入了二次流速度,定義為:

(4)

1.2 網格劃分

采用O-grid創建結構化網格,并對粘性影響區的網格進行細化,劃分10層以上網格,確保y+≤1,以保證對流場物理量的精確計算,圖3給出了矩形通道截面網格劃分結果。軸向網格則采取均勻劃分的方式。在進行數值計算前,需要對網格進行無關性分析。截面網格的劃分數量分為5組:3 172×1 000、4 957×1 100、6 324×1 100、7 442×1 100、8 334×1 000。計算結果表明:3 172×1 000的網格計算結果不收斂,4 957×1 100與7 442×1 100的網格組合計算所得壁溫沿軸向的分布最大差異僅為0.653%,4 957×1 100的網格組合與8 334×1 000和6 324×1 100的網格組合計算所得壁溫沿軸向的分布最大差異小于1.5%。因此,為了節約計算資源,取4 957×1 100的網格進行計算。

圖3 再生冷卻通道截面網格

1.3 碳氫燃料熱物性模型

RP-3航空煤油成分復雜,熱物性數據難以直接得到,故采用仲峰泉等[12]提出的十組分替代模型,利用NIST SUPERTRAPP程序計算得到3 MPa壓力下煤油的物性數據,如圖4所示。通過分段多項式擬合,獲得煤油的物性參數與溫度的函數關系式[13]。

圖4 3 MPa壓力下RP-3航空煤油的熱物性

2 數值計算方法及驗證

2.1 數值方法

文中模擬了變物性的復雜流動和二次流,湍流模型采用RNGk-ε兩方程模型。在近壁區,湍流發展并不充分,雷諾數較低,采用增強壁面處理法保證近壁區物理量的計算精度。通過有限容積法離散三維的Navier-Stokes方程,運用SIMPLEC算法求解壓力-速度耦合方程,動量和能量方程均采用二階迎風格式。

2.2 數值方法驗證

由于缺乏超臨界壓力下煤油在矩形管內流動換熱的實驗數據,故對仲峰泉等[12]在二級加熱圓管內的實驗進行數值模擬,以驗證文中數值方法的可靠性。如圖5所示,計算結果與實驗值的最大誤差僅為8.3%,故認為文中采用的計算方法可靠[14]。

圖5 油溫、壁溫分布

3 計算結果分析

圖6給出了冷卻通道a在過載為1時,出口處截面的二次流矢量圖。由于矩形通道單側加熱,內部煤油溫度分布不均勻,導致同一截面下壁面附近的流體溫度高、密度小,中心區域溫度低、密度大,受浮升力的影響,中心區域溫度低的流體向下運動,壁面附近溫度高的流體被迫沿兩側向上流動。

圖6 二次流矢量圖

圖7～圖9給出了在不同過載條件下,燃燒室不同位置冷卻通道對流換熱系數沿流動方向的分布。

圖7 冷卻通道a對流換熱系數

圖8 冷卻通道b對流換熱系數

圖9 冷卻通道c對流換熱系數

在冷卻通道a內,過載為0時,通道內出現了正常傳熱、傳熱惡化和傳熱強化3個階段。隨著過載的增加,煤油對流換熱系數逐漸增大,傳熱惡化位置逐漸后移,煤油對流換熱能力得到提升；在加熱初始階段,不同過載條件下煤油對流換熱系數基本相同；過載在0～0.5時,過載對煤油對流換熱能力影響比較顯著,隨著過載繼續增大,過載成倍增加而煤油換熱系數只是緩慢提升。

在冷卻通道b內,過載的增加反而降低了煤油換熱能力,在過載比較小時(小于0.5),過載對煤油流動換熱幾乎沒有影響,隨著過載的逐漸增大,煤油流動換熱能力降低,傳熱惡化位置前移。這是由于冷卻通道b下壁面附近的煤油溫度高、密度小,中心區域和上壁面附近煤油溫度低、密度大,而過載的存在使煤油逆密度梯度流動,過載較小時不足以克服密度梯度的影響,通道底部的紊流狀態幾乎不發生改變,故對流換熱系數變化不明顯。隨著過載的繼續增加,下壁面溫度高、密度小的煤油向上壁面流動,兩側高溫煤油向中心區域流動,由于在冷卻通道下壁面中心區域溫度高于兩側,通道兩側高溫煤油向中心區域的流動使通道下壁面煤油溫度分布趨于一致,下壁面煤油流動向層流發展,對流換熱系數略有降低。

在冷卻通道c內,過載的增加有效的提升了煤油流動換熱能力,傳熱惡化位置不僅后移,且極大降低了傳熱惡化的程度；與燃燒室上壁面冷卻通道類似,在過載較小時,過載對提升煤油換熱能力的影響也比較明顯。

圖10 過載為1時,不同冷卻通道對流換熱系數

從圖10可以看出:過載為1時,冷卻通道b對流換熱系數略低于過載為0時對流換熱系數,冷卻通道a和c對流換熱系數變化相近,均高于過載為0時對流換熱系數,煤油流動換熱能力得到明顯改善。

圖11給出了在min=50 g/s,qw=1 MW/m2,過載為1時,不同管截面的二次流速度等值線,各通道入口處煤油流速均為1.007 m/s。由圖11(a)～圖11(d)可以看出:在同一通道內,二次流沿流動方向逐漸增強。這是由于在加熱初始階段,通道內煤油溫度低于臨界溫度,煤油熱物性變化比較平穩,二次流速度較小,故對流換熱系數也基本相同。

圖11 過載為1時不同冷卻通道截面的二次流速度等值線

在冷卻通道b內,二次流速度較小,在冷卻通道下壁面肋片側高溫煤油向中部流動,使下壁面附近煤油溫度趨于一致,密度梯度較小。在冷卻通道c內,過載作用使得冷卻通道底部煤油從肋片一側向另一側流動,底部煤油沿軸向流動更加紊亂,增強了煤油的換熱能力,換熱系數得到提升,但是通道底部的煤油流動使高溫煤油聚集在一側肋片,冷卻通道兩側肋片溫度分布不均勻。

以無過載時最高壁溫為基準,表1給出了過載對各冷卻通道最高壁溫的影響。在相同過載條件下,冷卻通道c最高壁溫低于冷卻通道a和b；在不同過載條件下,冷卻通道a和c最高壁溫均減小4.5%以上,冷卻通道b最高壁溫略有提高。綜合來看,雖然冷卻通道c兩側肋片溫度分布不均勻,但整體換熱能力優于冷卻通道a和b。

表1 過載對各冷卻通道最高壁溫的影響 %

4 結論

研究了浮升力對再生冷卻矩形通道內煤油流動換熱的影響,比較了超燃沖壓發動機不同位置處冷卻通道內浮升力的作用效果,得出以下結論:

1)在加熱初始階段,各冷卻通道內煤油溫度低于其臨界溫度,煤油熱物性變化比較平穩,二次流速度較小,過載的增加對對流換熱系數影響很小。

2)隨著過載的增加,超燃沖壓發動機上壁面和兩側壁面冷卻通道換熱能力得到增強,傳熱惡化現象得到明顯改善,但下壁面冷卻通道煤油換熱能力小幅度減弱。

3)由于過載的作用,燃燒室兩側壁面冷卻通道內二次流分布不均勻,溫度向一側肋片集中,但整體換熱能力優于其他位置的冷卻通道。